Современные мобильные пользователи хотят более высоких скоростей передачи данных и более надежного обслуживания. Следующее поколение беспроводных сетей - 5G - обещает предоставить это и многое другое. С 5G пользователи должны иметь возможность загружать фильм высокой четкости менее чем за секунду (задача, которая может занять 10 минут в 4G LTE). И инженеры беспроводной связи говорят, что эти сети будут стимулировать развитие и других новых технологий, таких как автономные транспортные средства , виртуальная реальность и Интернет вещей .  

Если все пойдет хорошо, телекоммуникационные компании надеются представить первые коммерческие сети 5G в начале 2020-х годов . Однако в настоящее время 5G все еще находится на стадии планирования, и компании и отраслевые группы работают вместе, чтобы точно определить, каким именно он будет. Но все они согласны в одном вопросе: по мере роста числа мобильных пользователей и их спроса на данные 5G должна обрабатывать гораздо больше трафика на гораздо более высоких скоростях, чем базовые станции, составляющие сегодняшние сотовые сети.

Для этого инженеры беспроводной связи разрабатывают набор совершенно новых технологий. Вместе эти технологии будут доставлять данные с задержкой менее миллисекунды (по сравнению с примерно 70 мс в современных сетях 4G) и обеспечивать пользователям пиковую скорость загрузки 20 гигабит в секунду (по сравнению с 1 Гбит / с в 4G ).

На данный момент еще не ясно, какие технологии будут наиболее эффективны для 5G в долгосрочной перспективе, но появилось несколько первых фаворитов. Лидерами являются миллиметровые волны, маленькие ячейки, массивный MIMO, полнодуплексный режим и формирование луча. Чтобы понять, чем 5G будет отличаться от сегодняшних сетей 4G, полезно пройтись по этим пяти технологиям и подумать, что каждая из них будет значить для пользователей беспроводной связи.

/image/Mjg1ODU2OQ.jpeg
Миллиметровые волны
Современные беспроводные сети столкнулись с проблемой: больше людей и устройств потребляют больше данных, чем когда-либо прежде, но они по-прежнему сосредоточены в тех же диапазонах радиочастотного спектра, которые всегда использовали операторы мобильной связи. Это означает меньшую пропускную способность для всех, что приводит к замедлению обслуживания и большему количеству разорванных соединений.

Один из способов обойти эту проблему - просто передавать сигналы в совершенно новом диапазоне спектра, который никогда раньше не использовался для мобильных услуг. Вот почему провайдеры экспериментируют с вещанием на миллиметровых волнах , которые используют более высокие частоты, чем радиоволны, которые долгое время использовались для мобильных телефонов.

Миллиметровые волны передаются на частотах от 30 до 300 гигагерц. , по сравнению с полосами ниже 6 ГГц, которые использовались для мобильных устройств в прошлом. Их называют миллиметровыми волнами, потому что они различаются по длине от 1 до 10 мм , по сравнению с радиоволнами, которые обслуживают современные смартфоны, длина которых составляет десятки сантиметров .

До сих пор только операторы спутников и радарных систем использовали миллиметровые волны для реальных приложений. Теперь некоторые операторы сотовой связи начали использовать их для передачи данных между стационарными точками, такими как две базовые станции. Но использование миллиметровых волн для подключения мобильных пользователей к ближайшей базовой станции - это совершенно новый подход.

Однако у миллиметровых волн есть один серьезный недостаток - они не могут легко проходить через здания или препятствия, и они могут поглощаться листвой и дождем. Вот почему сети 5G, вероятно, дополнят традиционные вышки сотовой связи другой новой технологией, называемой малыми сотами.

/image/Mjg1ODU3Mw.jpeg
Маленькие клетки
Малые соты - это портативные миниатюрные базовые станции, которые требуют минимальной мощности для работы и могут быть размещены каждые 250 метров или около того по всему городу. Чтобы предотвратить сброс сигналов, операторы связи могут установить тысячи этих станций в городе, чтобы сформировать плотную сеть, которая действует как ретрансляторная группа, принимая сигналы от других базовых станций и отправляя данные пользователям в любом месте.

В то время как традиционные сотовые сети также стали полагаться на все большее количество базовых станций, для достижения производительности 5G потребуется еще большая инфраструктура. К счастью, антенны на малых сотах могут быть намного меньше традиционных антенн, если они передают крошечные миллиметровые волны. Эта разница в размерах позволяет еще проще наклеивать ячейки на фонарные столбы и на крышах зданий.

Эта радикально иная сетевая структура должна обеспечивать более целенаправленное и эффективное использование спектра. Наличие большего количества станций означает, что частоты, которые одна станция использует для подключения к устройствам в одной области, могут быть повторно использованы другой станцией в другой области для обслуживания другого клиента. Однако есть проблема - огромное количество малых сот, необходимых для построения сети 5G, может затруднить установку в сельской местности.

В дополнение к вещанию на миллиметровых волнах базовые станции 5G также будут иметь намного больше антенн, чем базовые станции сегодняшних сотовых сетей, чтобы воспользоваться еще одной новой технологией: массивным MIMO.

/image/Mjg1ODU3Mg.jpeg
Массивный MIMO
Сегодняшние базовые станции 4G имеют десяток портов для антенн, которые обрабатывают весь сотовый трафик: восемь для передатчиков и четыре для приемников. Но базовые станции 5G могут поддерживать около сотни портов, а это значит, что на одном массиве может поместиться гораздо больше антенн. Эта возможность означает, что базовая станция может отправлять и принимать сигналы от многих других пользователей одновременно, увеличивая пропускную способность мобильных сетей в 22 раза или больше .

Эта технология называется Massive MIMO. . Все начинается с MIMO, что означает несколько входов и выходов. MIMO описывает беспроводные системы, которые используют два или более передатчика и приемника для одновременной отправки и приема большего количества данных. Massive MIMO выводит эту концепцию на новый уровень, предлагая десятки антенн на одном массиве.

MIMO уже есть на некоторых базовых станциях 4G. Но пока массивный MIMO был протестирован только в лабораториях и несколько полевых испытаний. На ранних этапах тестирования он установил новые рекорды по эффективности использования спектра. , которая является мерой того, сколько бит данных может быть передано определенному количеству пользователей в секунду.

Массивный MIMO выглядит многообещающим для будущего 5G. Однако установка большего количества антенн для обработки сотового трафика также вызывает больше помех, если эти сигналы пересекаются. Вот почему станции 5G должны включать формирование луча.

/image/Mjg1ODU3MQ.jpeg
Формирование луча
Beamforming - это система сигнализации трафика для сотовых базовых станций, которая определяет наиболее эффективный маршрут доставки данных конкретному пользователю и снижает помехи для находящихся поблизости пользователей в этом процессе. В зависимости от ситуации и технологии, в сетях 5G есть несколько способов реализовать это.

Формирование луча может помочь массивным массивам MIMO более эффективно использовать окружающий их спектр. Основная задача массивной MIMO - уменьшить помехи при одновременной передаче большего количества информации от большого количества антенн. На массивных базовых станциях MIMO алгоритмы обработки сигналов прокладывают лучший маршрут передачи по воздуху для каждого пользователя. Затем они могут отправлять отдельные пакеты данных во многих разных направлениях, отражая их от зданий и других объектов в точно согласованном порядке. За счет хореографии движения пакетов и времени прибытия, формирование диаграммы направленности позволяет множеству пользователей и антенн массивного массива MIMO обмениваться гораздо большим объемом информации одновременно.

Для миллиметровых волн формирование луча в основном используется для решения другого набора проблем: сигналы сотовой связи легко блокируются объектами и имеют тенденцию ослабевать на больших расстояниях. В этом случае формирование луча может помочь, фокусируя сигнал в концентрированном луче, который направлен только в направлении пользователя, а не транслируется во многих направлениях одновременно. Такой подход может повысить шансы сигнала на прибытие в неизменном виде и уменьшить помехи для всех остальных.

Помимо повышения скорости передачи данных за счет широковещательной передачи на миллиметровых волнах и повышения эффективности использования спектра с помощью массивного MIMO, инженеры беспроводной связи также пытаются достичь высокой пропускной способности и низкой задержки, необходимых для 5G, с помощью технологии, называемой полнодуплексной, которая изменяет способ доставки и приема данных антеннами. .

/image/Mjg1ODU3MA.jpeg
Полный дуплекс
Сегодняшние базовые станции и сотовые телефоны полагаются на приемопередатчики, которые должны по очереди передавать и получать информацию на одной и той же частоте или работать на разных частотах, если пользователь желает передавать и получать информацию одновременно.

С 5G трансивер сможет передавать и принимать данные одновременно на одной и той же частоте. Эта технология известна как полный дуплекс , и она может удвоить пропускную способность беспроводных сетей на их самом фундаментальном физическом уровне: представьте, как два человека разговаривают одновременно, но все еще могут понимать друг друга - это означает, что их разговор может занять вдвое меньше времени и их следующее обсуждение могло начаться раньше.

Некоторые военные уже используют полнодуплексную технологию, основанную на громоздком оборудовании. Для достижения полного дуплекса на личных устройствах , исследователи должны разработать схему, которая может маршрутизировать входящие и исходящие сигналы, чтобы они не сталкивались, когда антенна передает и принимает данные одновременно.

Это особенно сложно из-за тенденции радиоволн распространяться вперед и назад на одной и той же частоте - принцип, известный как взаимность. Но недавно специалисты собрали кремниевые транзисторы, которые действуют как высокоскоростные переключатели, чтобы остановить обратное движение этих волн, позволяя им одновременно передавать и принимать сигналы на одной и той же частоте.  

Одним из недостатков полнодуплексного режима является то, что он также создает больше помех сигнала из-за надоедливого эха. Когда передатчик излучает сигнал, этот сигнал находится намного ближе к антенне устройства и, следовательно, более мощный, чем любой сигнал, который он принимает. Ожидать, что антенна будет одновременно говорить и слушать, возможно только с помощью специальной технологии подавления эха.

С помощью этих и других технологий 5G инженеры надеются построить беспроводную сеть, в которой будущие пользователи смартфонов, геймеры VR и автономные автомобили будут полагаться каждый день. Исследователи и компании уже возлагают большие надежды на 5G, обещая потребителям сверхмалую задержку и рекордную скорость передачи данных. Если они смогут решить оставшиеся проблемы и выяснить, как заставить все эти системы работать вместе, сверхбыстрые услуги 5G могут достичь потребителей в ближайшие пять лет.